五軸機(jī)床的五個(gè)軸通常是由三個(gè)直線軸外加兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸組成的，其結(jié)構(gòu)方式卻有很大差別。不同的結(jié)構(gòu)形式會(huì)使機(jī)床在剛性、動(dòng)態(tài)性能和精度穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生一些差異。本文主要針對(duì)立式頭擺、立式工作臺(tái)擺動(dòng)這兩種不同結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床進(jìn)行分析比較，以便用戶充分了解其結(jié)構(gòu)形式，從而有利于其根據(jù)自己產(chǎn)品的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)能力挑選合適的機(jī)床。
五軸機(jī)床的典型應(yīng)用是五軸聯(lián)動(dòng)加工和五軸定位加工。五軸聯(lián)動(dòng)加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域是葉輪、刀具、模具以及復(fù)雜曲面加工。五軸定位加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域是殼體類零件加工以及有空間位置度要求的孔及平面角度加工。
（a） （b） （c）
圖1 五軸機(jī)床應(yīng)用舉例，（a）發(fā)動(dòng)機(jī)，（b）刀具，（c）模具
立式五軸機(jī)床根據(jù)擺動(dòng)軸的擺動(dòng)方式分為兩類，一類是主軸頭擺動(dòng)（通常稱為B軸），另一類是工作臺(tái)擺動(dòng)（通常稱為A軸）。這里以哈默生產(chǎn)的U系列機(jī)床（如圖2所示）和C系列機(jī)床（如圖3所示）為例進(jìn)行對(duì)比，他們分別代表頭擺和工作臺(tái)擺動(dòng)的機(jī)床。
圖2 U系列機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 C系列機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖
這里以兩種機(jī)床加工同一個(gè)零件上的空間垂直孔為例，說(shuō)明兩種機(jī)床的區(qū)別。
圖4 此零件需要在兩個(gè)相鄰面上加工兩個(gè)相互垂直的通孔
1. 機(jī)床主軸剛性和加工效率的比較
U系列機(jī)床在加工的過(guò)程中，由于是頭擺，所以主軸刀具都要聯(lián)動(dòng)擺動(dòng)，使得主軸的剛性差；而C系列機(jī)床，由于是工作臺(tái)擺動(dòng)，所以不會(huì)對(duì)主軸的剛性產(chǎn)生任何影響。
由于旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的不同，刀尖實(shí)現(xiàn)同樣的位移時(shí)，頭擺機(jī)床的主軸需要擺動(dòng)更大的角度（類似杠桿原理），所以加工同樣的零件，頭擺機(jī)床的效率更低。
圖5 頭擺和工作臺(tái)擺動(dòng)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置
2. 刀具長(zhǎng)度對(duì)機(jī)床加工精度的影響
擺動(dòng)誤差=擺臂×擺角
擺臂=主軸長(zhǎng)度+刀具長(zhǎng)度
也就是說(shuō)，在頭擺的情況下，刀具的長(zhǎng)度影響擺臂
長(zhǎng)度，放大誤差。即誤差會(huì)隨刀具的長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增大。
圖6
圖7 頭擺機(jī)床中刀具長(zhǎng)度與位置誤差的關(guān)系
圖8 工作臺(tái)擺動(dòng)機(jī)床長(zhǎng)度與位置誤差的關(guān)系
3. 頭擺機(jī)床會(huì)產(chǎn)生形狀誤差，而工作臺(tái)擺動(dòng)則不會(huì)產(chǎn)生形狀誤差
頭擺機(jī)床刀具旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生位置誤差。與此同時(shí)，加工孔的進(jìn)給方向和刀具的回轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏離，情況如圖9所示，所以加工孔產(chǎn)生位置誤差的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生形狀誤差，出現(xiàn)楔形孔。
圖9 頭擺機(jī)床在產(chǎn)生位置誤差的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生形狀誤差
而工作臺(tái)擺動(dòng)機(jī)床的位置誤差是有工作臺(tái)擺動(dòng)造成，主軸的進(jìn)給方向和刀具的旋轉(zhuǎn)中心始終重合，所以不會(huì)再附加產(chǎn)生形狀誤差。這是工作臺(tái)擺動(dòng)與頭擺相比另一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。
圖10 工作臺(tái)擺動(dòng)機(jī)床不產(chǎn)生形狀誤差
4. 加工范圍的比較
當(dāng)頭擺機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)90°而轉(zhuǎn)為臥式加工時(shí)，其加工范圍會(huì)大大減小。如圖11所示，較長(zhǎng)的尺寸為主軸不旋轉(zhuǎn)時(shí)所能加工的最大距離，較短尺寸為轉(zhuǎn)為臥式時(shí)的加工距離，有明顯的變化。而工作臺(tái)擺動(dòng)機(jī)床則不會(huì)出現(xiàn)這種情況。
圖11 頭擺機(jī)床轉(zhuǎn)為臥式時(shí)加工范圍的縮小
結(jié)論
工作臺(tái)擺動(dòng)機(jī)床的剛性好，加工效率高；刀具長(zhǎng)度對(duì)加工精度不會(huì)產(chǎn)生影響；加工不會(huì)產(chǎn)生形狀誤差；五軸加工與三軸加工時(shí)可加工零件的大小是相同的。
頭擺機(jī)床主軸的剛性相對(duì)較差，加工效率相對(duì)較低；加工精度會(huì)隨刀具長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而降低；加工會(huì)產(chǎn)生形狀誤差；主軸擺動(dòng)角度時(shí)會(huì)吃掉行程，從而導(dǎo)致能夠加工的最大工件尺寸變小。
另外，U系列機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是，X軸和Y軸通過(guò)刀具運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，Z軸由工件體現(xiàn)。Ｕ系列機(jī)床Y軸的剛性會(huì)隨使用而逐漸減弱。Y軸由主軸和刀具的持續(xù)承重而產(chǎn)生的彎曲可以得到補(bǔ)償，然而這并不能抵消Ｙ軸在加工不同重量的工件時(shí)發(fā)生的彎曲。Z軸的動(dòng)力性和精度會(huì)由于加工很重的工件或者工件的位置距離Z軸導(dǎo)軌太遠(yuǎn)而降低。而C系列機(jī)床是改進(jìn)的龍門設(shè)計(jì)，一體化鑄造，工作臺(tái)雙支撐。設(shè)計(jì)特征包括：3個(gè)線性軸的運(yùn)動(dòng)是由刀具的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)態(tài)性能不受工件限制；驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)軌在加工區(qū)之外；緊湊的結(jié)構(gòu)，最低空間要求；優(yōu)化的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性；高的運(yùn)行、定位和持久精度；加工過(guò)程高
